Depuis sa mise en service en 1981, le TGV français est réputé pour sa fiabilité. En trois décennies, des accidents se sont certes produits, mais la SNCF a toujours su perfectionner sans cesse le système pour améliorer son niveau de sécurité, si bien qu'il est devenu l'un des TGV les plus sûrs au monde.

Un ancien chef de projet TGV pour la SNCF fait remarquer que le TGV a suscité une grande controverse en France avant son entrée en service. Beaucoup doutaient de sa fiabilité. Au début, le système a d'ailleurs connu des pannes, essentiellement dans deux domaines : la transmission des roues et le système d'alimentation électrique. Ces problèmes nécessitent des réglages extrêmement minutieux. Bon nombre de pièces métalliques du TGV ressemblent à celles d'une horloge. Leur réparation et leur réglage nécessitent une grande expertise technique et de la patience, sans oublier que le perfectionnement technique prend aussi du temps.

Le 3 mars 2011, 15 TGV à destination de Paris en provenance de l'ouest du pays ont été immobilisés à mi-chemin à cause d'une coupure d'électricité et quelque 5 000 voyageurs ont été bloqués dans des train de voyageurss pendant des heures. L'enquête de la SNCF a montré que ce jour-là vers 9 h, une coupure soudaine d'électricité s'est produite sur un côté de la section nord-ouest du réseau TGV, ce qui a paralysé les trains sur les voies.

Le vol de câbles et de fibres optiques est aussi un problème qui tourmente les autorités françaises du chemin de fer. Selon les statistiques, les vols fréquents de câbles et de fibres optiques ferroviaires en 2010 ont contraint la SNCF à annuler des trains pour un total de 5 800 heures, soit une perte directe de 30 millions d'euros. Rien qu'en septembre 2010, la SNCF a signalé 160 cas de vol de câbles et de fibres optiques ferroviaires. Début février 2011, un vol de câbles et de fibres optiques a perturbé 117 TGV Nord et trains Thalys entre la France et le Benelux, et 40 000 voyageurs en ont souffert. Compte tenu de ces désagréments, deux semaines après l'incident, la SNCF, le Réseau Ferré de France et le gouvernement français ont signé un nouveau plan de protection du TGV doté d'un budget de 40 millions d'euros. En outre, la SNCF a signé un accord de coopération avec la police nationale, mobilisant 48 hélicoptères pour patrouiller le long des voies sur 30 000 km.

A ce jour, les voies exclusives au TGV représentent 25% du kilométrage parcouru par les TGV. Sur les voies classiques, les TGV circulent à moins de 220 km/h, pour raisons de sécurité.

La sûreté du TGV français est inséparable du système de surveillance et d'alerte perfectionné du réseau ferroviaire. Sur les grandes lignes Paris-Lyon, il n'y a aucun passage à niveau ni tunnel. Tout le long de la ligne, il n'y a non plus de signalisation indépendante de trafic. Le système de signalisation de sécurité automatique couvre l'ensemble de la ligne. La distance de freinage d'urgence du TGV est d'environ 3 km. Grâce au système de courant à basse fréquence transmis par rail, le conducteur peut contrôler l'état de la voie devant lui. Un système de télécommunication sans fil relie en permanence la cabine de conduite au centre de contrôle, d'où la garantie de grande vitesse et de sécurité du train.

Le système de contrôle automatique permet aussi de connaître l'état des équipements et de détecter l'environnement naturel. En outre, il comprend un sous-système d'alerte, renforçant ainsi les fonctions de sécurisation du fonctionnement des trains. Le système d'alerte des voyageurs permet d'alerter le conducteur ou les contrôleurs en cas de nécessité, à l'aide d'une manette spéciale. Le TGV est aussi doté d'un dispositif anti-sommeil du conducteur, d'un système d'alerte incendie et d'un système d'alerte en cas de détérioration des voies. En France, des interrupteurs de sécurité et des interphones d'urgence sont installés tout le long de la voie du TGV. La SNCF a même établi, avec les autorités françaises de prévention sismique, des dispositifs de surveillance de tremblement de terre le long du TGV dans la région méditerranéenne.

Selon l'ancien responsable, pour la construction d'un TGV, l'important est de s'assurer de la qualité des travaux de construction de toutes les installations et des systèmes. Généralement, le TGV français procède à une exploitation d'essai de six à neuf mois. Durant cette période, les trains ne prennent pas de voyageurs. Ils servent essentiellement à régler les équipements et systèmes concernés. Cet expert a indiqué qu'à l'issue de cette période, le TGV est mis en service officiellement. Au début de cette phase, c'est la période de rodage, qui dure 6 mois environ. Durant cette période, il se peut que des problèmes surgissent ça et là. Mais en l'absence de problème fondamental touchant au système dans son ensemble, cela est toujours considéré comme un problème normal. Ainsi, le système du TGV n'est pas mis en cause dans son ensemble. D'après les expériences antérieures, un certain nombre de problèmes apparaissent durant la période de rodage. Cela permet de perfectionner le système, pour une garantie d'opération sécurisée et stable après la période de rodage.